Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2025, 19 (3V): 1–12
ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN ỨNG XỬ CẮT
CỦA DẦM CAO BÊ TÔNG SỢI THÉP
Nguyễn Thị Quỳnh Nhưa,b,c, Trần Ngọc Lâm Tuyềnb,c, Nguyễn Minh Longb,c,
Hoàng Bắc Ana, Phan Tá Lệa, Trần Văn Phúca,∗
aKhoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Thành phố Hồ Chí Minh,
196 Pasteur, phường Xuân Hòa, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
bKhoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh,
268 đường Lý Thường Kiệt, phường Diên Hồng, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
cĐại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, phường Linh Xuân, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
Nhận ngày 31/12/2024, Sửa xong 24/4/2025, Chấp nhận đăng 25/4/2025
Tóm tắt
Cường độ bê tông là thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu nhưng mức độ ảnh
hưởng của thông số này đến ứng xử cắt của dầm cao bê tông sợi thép trong các nghiên cứu hiện có vẫn chưa rõ.
Bài báo phân tích thực nghiệm mức độ ảnh hưởng của cường độ bê tông đến đặc trưng chịu lực, biến dạng và
đánh giá khả năng áp dụng mô hình thanh chống - giằng (STM) vào dự đoán khả năng chịu lực của dầm cao bê
tông sợi thép. Chương trình thực nghiệm thực hiện trên hai dầm cao kích thước 150×500×2000 mm với hàm
lượng sợi thép là 45 kg/m3, cường độ chịu nén của bê tông là 43,1 và 58,1 MPa. Hàm lượng cốt dọc chịu kéo và
cốt đai trong dầm được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318 lần lượt là 1,77 và 0,3%. Kết quả cho thấy bê tông có
cường độ chịu nén cao hơn giúp tăng hiệu quả sử dụng sợi thép trong việc cải thiện khả năng kháng cắt, kiểm
soát nứt và duy trì độ cứng của dầm, khả năng hấp thụ năng lượng cũng như độ dẻo dai của dầm, nhưng mô
hình STM hiện tại dự đoán khá thấp khả năng chịu lực của dầm cao bê tông sợi thép so với thực nghiệm.
Từ khoá: dầm cao; bê tông sợi thép; cường độ bê tông; thực nghiệm; khả năng kháng cắt; chuyển vị; kiểm soát
nứt.
EFFECT OF CONCRETE STRENGTH ON SHEAR BEHAVIOR OF STEEL FIBER REINFORCED CON-
CRETE DEEP BEAMS
Abstract
Compressive strength of concrete is an important parameter affecting the load-bearing capacity of structural
members, but its influence on the shear behavior of steel fiber reinforced concrete (SFRC) deep beams in ex-
isting studies has not been clearly presented. This paper experimentally studies the influence of compressive
strength of concrete on the load-bearing, deformation characteristics of SFRC deep beams and evaluates the
applicability of the strut-tie model (STM) in predicting the load-bearing capacity of SFRC deep beams. The
experimental program was carried out on two SFRC deep beams with dimensions of 150×500×2000 mm with
45 kg/m3of steel fiber content and concrete strengths of 43.1 and 58.1 MPa, respectively. Longitudinal ten-
sile reinforcement and stirrups of the beams were designed according to ACI 318 with ratios of 1.77 and 0.3%
respectively. Experimental results show that higher concrete strength enhances the efficiency of steel fibers in
improving shear resistance, crack control, stiffness retention, energy absorption capacity and ductility. However,
the current STM model predicts much low load-bearing capacity of SFRC deep beams compared to experimen-
tal results.
Keywords: deep beam; steel fiber reinforced concrete; concrete strength; testing; shear resistance; displacement;
crack control.
https://doi.org/10.31814/stce.huce2025-19(3V)-01 © 2025 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN)
∗Tác giả đại diện. Địa chỉ e-mail: phuc.tranvan@uah.edu.vn (Phúc, T. V.)
1
Như, N. T. Q., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
1. Đặt vấn đề
Các đặc trưng chịu lực và biến dạng của dầm bê tông cốt thép (BTCT) nói chung chịu ảnh hưởng
bởi nhiều yếu tố trong đó có một số yếu tố chính như kích thước tiết diện, tỉ lệ nhịp trên chiều cao
tiết diện, cường độ bê tông, hàm lượng và cấu tạo của cốt thép chịu lực. Không giống như dầm BTCT
truyền thống (còn gọi là dầm Bernoulli) nơi mà ứng xử uốn là ứng xử chủ đạo trong dầm, ứng xử của
dầm cao BTCT bị chi phối mạnh mẽ bởi ứng xử cắt [1–3]. Đối với dầm BTCT truyền thống, hiệu ứng
dầm khiến cho độ lớn của cánh tay đòn ngẫu lực của tiết diện dầm (khoảng cách giữa trọng tâm của
hợp lực nén và hợp lực kéo của tiết diện dầm) có xu hướng thay đổi không đáng kể khiến cho yếu tố
cường độ bê tông ảnh hưởng không nhiều đến khả năng chịu mô-men (hay còn gọi là khả năng kháng
uốn) của dầm [4]; trong khi, hiệu ứng vòm trong dầm cao khiến cho cánh tay đòn ngẫu lực của tiết
diện dầm thay đổi mạnh có thể khiến cho yếu tố cường độ bê tông chi phối đáng kể đến ứng xử của
dầm cao. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đã có về ứng xử cắt của dầm BTCT truyền thống đã chỉ ra
rằng sợi thép có xu hướng làm việc tốt hơn với bê tông cường độ cao so với bê tông cường độ thấp
[5–9]. Theo sự tìm hiểu tốt nhất của các tác giả, ảnh hưởng của yếu tố cường độ bê tông đến hiệu quả
sử dụng của sợi thép như cốt chịu cắt cũng như ứng xử của dầm cao bê tông sợi thép vẫn chưa thấy
được làm rõ trong các nghiên cứu trước đây.
Nghiên cứu này phân tích và đánh giá thực nghiệm mức độ ảnh hưởng của cường độ bê tông đến
các đặc trưng chịu lực và biến dạng của dầm cao bê tông sợi thép như khả năng kháng nứt xiên, khả
năng kháng cắt, khả năng kiểm soát nứt và chuyển vị cũng như khả năng hấp thụ năng lượng và độ
dẻo dai. Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên hai dầm cao bê tông sợi thép có kích thước
hình học là 150×500×2000 mm với cường độ bê tông thay đổi lần lượt là 43,1 và 58,1 MPa. Các dầm
dùng sợi thép với hàm lượng 45 kg/m3bê tông. Hàm lượng cốt dọc chịu kéo và cốt đai trong dầm
được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318 lần lượt là 1,77 và 0,3%. Mục tiêu chính của nghiên cứu là làm
rõ ảnh hưởng của yếu tố cường độ bê tông đến hiệu quả sử dụng của sợi thép như cốt chịu cắt cũng
như ứng xử của dầm cao bê tông sợi thép.
2. Chương trình thực nghiệm
2.1. Vật liệu
Các dầm thí nghiệm dùng bê tông thương phẩm với hai loại cấp phối như trong Bảng 1. Cường
độ chịu nén dọc trục và cường độ kéo khi ép chẻ của bê tông dầm được lấy trung bình trên kết quả thí
nghiệm của sáu mẫu lập phương 150×150×150 mm (Bảng 1). Các đặc trưng cơ học của cốt thép dọc
chịu kéo và cốt đai gồm giới hạn chảy và giới hạn bền được xác định trên ba mẫu và được tổng hợp
trong Bảng 2. Sợi thép được dùng trong nghiên cứu này là sợi Dramix dạng uốn móc hai đầu với các
đặc trưng hình học và cơ học được lấy từ catalogue của nhà sản xuất (Bảng 2).
Bảng 1. Cấp phối và các đặc tính cơ học của bê tông
Loại
bê tông
fc,cube
(MPa)
fsp,cube
(MPa)
Cấp phối bê tông
Xi măng
(kg/m3)
Cát sông
(kg/m3)
Đá 1×2
(kg/m3)
Nước
(lít/m3)
Phụ gia
(lít/m3)
Loại 1 43,1 4,6 395 673 1156 190 4,0
Loại 2 58,1 5,1 552 652 1218 160 5,5
Ghi chú: fc,cube và fsp,cube lần lượt là cường độ chịu nén dọc trục và kéo khi ép chẻ của hai loại bê tông.
2
Như, N. T. Q., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Bảng 2. Các đặc tính cơ học của cốt thép và sợi thép
fyfufyh fuh fyw fuw EsffEf
(MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (GPa) (MPa) (GPa)
516 639 508 613 317 471 200 1345 210
Ghi chú: fyvà fulần lượt là giới hạn chảy và giới hạn bền của cốt dọc; fyh và fuh lần lượt là giới hạn chảy và
giới hạn bền của cốt ngang; fyw và fuw lần lượt là giới hạn chảy và giới hạn bền của cốt đai; Eslà mô đun đàn
hồi của cốt thép; ffvà Eflần lượt là giới hạn bền và mô đun đàn hồi của sợi thép.
2.2. Mẫu dầm thí nghiệm
Tổng số mẫu dầm thí nghiệm bao gồm hai dầm đơn giản có kích thước 150×500×2000 mm
(Hình 1); trong đó, một dầm có cường độ chịu nén của bê tông bằng 43,1 MPa và một dầm có cường
độ chịu nén của bê tông là 58,1 MPa. Sợi thép dùng trong các dầm với hàm lượng không đổi là mf=
45 kg/m3. Cốt thép chịu kéo của các dầm dùng 4d20 tương ứng với hàm lượng cốt dọc bằng 1,77%.
Đây là hàm lượng cốt thép chịu kéo được dùng phổ biến trong các dầm cao trong thực tế. Cốt đai của
dầm dùng d6 với bước cốt đai bằng 125 mm tương ứng với hàm lượng cốt đai là 0,30%. Thép phân
bố trên bề mặt các dầm theo chiều cao được thiết kế theo chỉ dẫn của ACI 318 với khoảng cách giữa
các thanh là 145 mm. Các thông số kỹ thuật của các dầm được tổng hợp trong Bảng 3.
Bảng 3. Thông số các mẫu dầm thí nghiệm
Mẫu dầm b×h×L(mm) mf(kg/m3)ρs(%) ρsw (%)
DS-40-45-0,30-A 150×500×2000 45 1,77 0,30
DS-50-45-0,30-A 150×500×2000 45 1,77 0,30
Ghi chú: mflà hàm lượng sợi thép; ρslà hàm lượng cốt dọc; ρsw là hàm lượng cốt đai.
Các dầm dùng bê tông thương phẩm và được đúc từ một mẻ bê tông. Độ sụt của bê tông của các
dầm dao động từ 110 đến 135 mm. Thiết bị đầm tay được dùng trong suốt quá trình đúc mẫu dầm để
đảm bảo chất lượng của dầm. Tất cả các dầm được chế tạo trong phòng thí nghiệm với điều kiện môi
trường như nhau (nhiệt độ từ 32 đến 35 °C và độ ẩm trung bình xấp xỉ 72%). Sau 28 ngày, các dầm
lần lượt được thí nghiệm.
2.3. Sơ đồ thí nghiệm và bố trí thiết bị đo đạc
Sơ đồ thí nghiệm của được thể hiện ở Hình 1. Tỉ số giữa nhịp cắt và chiều cao làm việc của dầm
bằng 1,8. Chuyển vị của dầm tại các vị trí giữa nhịp được đo bằng một chuyển vị kế điện tử (LVDT);
và 2 LVDT khác được dùng để đo chuyển vị của gối tựa. Biến dạng của cốt thép dọc chịu kéo tại vị
trí giữa nhịp và tại vị trí gần gối tựa của dầm được đo bằng sáu cảm biến điện trở (SG). Bốn SG khác
được dùng để đo biến dạng của cốt đai. Ba SG được bố trí dọc theo chiều cao tiết diện dầm để đo biến
dạng nén của bê tông tại giữa dầm. Một cặp SG đa hướng được sử dụng để xác định biến dạng nén và
kéo chính của bê tông ở nhịp cắt của dầm. Kích thủy lực công suất 100 tấn được dùng để gia tải cho
dầm đến khi dầm bị phá hoại hoàn toàn. Tốc độ gia tải xấp xỉ 15 kN/phút. Sau mỗi cấp tải, tải được
giữ trong thời gian không quá hai phút để ghi nhận quá trình hình thành vết nứt và đo bề rộng khe nứt.
Chi tiết lắp đặt các thiết bị đo được thể hiện ở Hình 1.
3
Như, N. T. Q., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm và bố trí thiết bị đo đạc
3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.1. Kiểu phá hoại
Bảng 4trình bày kết quả thí nghiệm của các dầm. Các dầm đều bị phá hoại bởi vết nứt cắt (Hình 2).
Vết nứt do uốn đầu tiên xuất hiện ở giữa nhịp tại cấp tải 14% tải phá hoại (Pu). Vết nứt xiên đầu tiên
của dầm bắt đầu xuất hiện tại vị trí bụng dầm ở cấp tải 32%Pu; theo sự gia tăng của tải tác dụng, vết
nứt này lan dần hướng về điểm tác dụng lực và gối tựa. Ở cấp tải từ 55 đến 68%Pu, các vết nứt uốn
phát triển chậm lại; trong khi, các vết nứt xiên phát triển nhanh và làm cho dầm bị phá hủy. Sợi thép
giúp cho vết nứt trong các dầm phân bố đều hơn với bề rộng vết nứt nhỏ hơn so với của dầm không
sợi thép tương tự như kết luận trong các nghiên cứu trước đây [5,10–12]; tuy nhiên, việc thay đổi
cường độ bê tông không làm ảnh hưởng đáng kể đến hình thái và bề rộng vết nứt của dầm. Tại cấp tải
phá hủy, bề rộng vết nứt lớn nhất của dầm có cường độ 43,1 MPa là 3,1 mm; trong khi, của dầm có
cường độ 58,1 MPa là 3,7 mm.
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm của các dầm
Dầm Pcr,f lex Pcr,sh Py,stirr Puδu,mid εsu,longi,mid εsu,longi,sup εsu,stirr εccu,mid εct,inc wu
(kN) (kN) (kN) (kN) (mm) (‰) (‰) (‰) (‰) (‰) (mm)
DS-40-45-0,30-A 106 240 448 740 5,17 2,54 2,58 22,32 −0,18 0,38 3,1
DS-50-45-0,30-A 113 255 484 800 5,85 2,56 2,65 25,36 −0,09 0,27 3,7
Ghi chú: Pcr,f lex là lực gây vết nứt uốn đầu tiên; Pcr,sh là lực gây vết nứt xiên đầu tiên; Py,stirr lực bắt đầu gây
chảy dẻo cốt đai; Pulà lực lớn nhất; δu,mid là chuyển vị của dầm tại giữa nhịp; εsu,longi,mid là biến dạng lớn nhất
của cốt dọc chịu kéo giữa nhịp; εsu,longi,sup là biến dạng lớn nhất của cốt dọc chịu kéo ở vị trí gần gối tựa; εsu,stirr
là biến dạng lớn nhất của cốt đai; εccu,mid biến dạng nén lớn nhất của bê tông giữa nhịp; εct,inc là biến dạng kéo
xiên lớn nhất của bê tông; wubề rộng vết nứt xiên ứng với lực tác dụng lớn nhất.
4
Như, N. T. Q., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
(a) Dầm DS-40-45-0,3-A
(b) Dầm DS-50-45-0,3-A
Hình 2. Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của các dầm
3.2. Quan hệ lực - chuyển vị
Hình 3biểu diễn quan hệ lực - chuyển vị của hai dầm thí nghiệm. Nhìn chung, sự gia tăng của
cường độ bê tông làm tăng độ cứng của dầm và khiến cho chuyển vị của dầm có cường độ bê tông
cao nhỏ hơn đáng kể so với của dầm có cường độ bê tông thấp, khi dầm có sử dụng sợi thép. Cụ thể, ở
giai đoạn trước khi vết nứt xiên xuất hiện (32%Pu), chuyển vị của dầm có cường độ bê tông fc,cube =
58,1 MPa nhỏ hơn đáng kể, khoảng 18% so với của dầm có cường độ bê tông fc,cube = 43,1 MPa. Sau
khi vết nứt xiên xuất hiện, ảnh hưởng của cường độ bê tông đến chuyển vị của dầm giảm. Cụ thể, ở
cấp tải phá hoại của dầm có cường độ bê tông fc,cube = 43,1 MPa, chuyển vị của các dầm có cường độ
bê tông fc,cube = 58,1 MPa giảm xấp xỉ 12% so với của dầm có cường độ bê tông fc,cube = 43,1 MPa.
Tuy nhiên, việc tăng cường độ bê tông từ 43,1 đến 58,1 MPa làm tăng chuyển vị cuối cùng của dầm
13%.
3.3. Khả năng kháng nứt xiên và khả năng kháng cắt
Hình 4so sánh khả năng kháng nứt xiên và khả năng kháng cắt của dầm khi thay đổi cường độ
chịu nén của bê tông. Việc tăng cường độ chịu nén bê tông từ 43,1 đến 58,1 MPa làm tăng nhẹ khả
năng kháng nứt xiên Pcr,sh (6,3%) và khả năng kháng cắt Pucủa dầm (8,1%) (Bảng 4). Kết quả trên
cho thấy việc ảnh hưởng của yếu tố tăng cường độ bê tông từ 43,1 đến 58,1 MPa (tăng xấp xỉ 35%)
đến các đặc trưng chịu lực của dầm cao như khả năng kháng nứt và kháng cắt không được rõ nét.
Nguyên nhân có thể là do kiểu phá hoại do các vết nứt xiên (vết nứt cắt) chịu chi phối mạnh bởi ứng
suất kéo xiên. Cụ thể, Bảng 1cho thấy việc tăng cường độ bê tông lên 35% (từ 43,1 đến 58,1 MPa)
như trong nghiên cứu này làm tăng cường độ chịu kéo của bê tông xấp xỉ 10,8% (từ 4,6 lên 5,1 MPa).
5
